EP0267870B1

EP0267870B1 - Lightning protection device

Info

Publication number: EP0267870B1
Application number: EP87810532A
Authority: EP
Inventors: Cesare Giulio Invernizzi
Original assignee: Energie Froide International SA
Current assignee: Energie Froide International SA
Priority date: 1986-11-01
Filing date: 1987-09-16
Publication date: 1991-12-11
Anticipated expiration: 2007-09-16
Also published as: JPS63126121A; CN1034200C; CA1281089C; US4816611A; CH669482A5; EP0267870A1; AU591357B2; PT85932A; PT85932B; GR3004030T3; KR960000924B1; CN87107192A; AU8051487A; KR880006811A; ES2028910T3; HK29693A; DE3775174D1

Description

1/ Il est connu que les installations de protection antifoudre présentent de graves dangers car, quand une foudre les frappe, des décharges dites latérales, à haute énergie, éclatent entre les conducteurs de cuivre nu normalisés pour leur mise à la terre et des objets, ou des personnes, dans leur voisinage.1 / It is known that lightning protection installations present serious dangers because, when a lightning strikes them, so-called lateral, high-energy discharges burst between the bare copper conductors standardized for their earthing and objects, or people in their vicinity.

2/ Par l'élévation toujours plus grande des structures à protéger, les courants de foudre ne peuvent plus rester confinés dans les conducteurs nus de mise à la terre sans que des claquages se produisent avec des conséquences souvent désastreuses:

- incendies;
- foudroiement de personnes;
- destruction de matériel électrique et électronique;
- etc.

2 / By the ever increasing elevation of the structures to be protected, lightning currents can no longer remain confined in bare grounding conductors without breakdowns occurring with often disastrous consequences:

- fires;
- lightning strike of people;
- destruction of electrical and electronic equipment;
- etc.

3/ L'Auteur de la présente invention a déjà proposé un système de mise à la terre des foudres palliant à cet inconvénient majeur (US-A-3 919 956), consistant à prévoir autour du conducteur de mise à terre une gaine métallique maintenue à distance de ce conducteur par une couche de matériel isolant, cette gaine métallique étant elle aussi renfermée dans une couche isolante, l'ensemble étant mis à la terre.3 / The author of the present invention has already proposed a lightning earthing system which overcomes this major drawback (US-A-3,919,956), consisting in providing around the earthing conductor a metallic sheath maintained spaced from this conductor by a layer of insulating material, this metal sheath also being enclosed in an insulating layer, the assembly being earthed.

4/ C'est par des concepts propres aux techniques hautes tensions que les améliorations décrites dans la présente invention ont pu être faites -par rapport aux conducteurs conventionnels de mise à la terre -par rapport à toutes les installations antifoudres précédentes ne pouvant être intégrées en un ensemble électriquement hermétique, qui ne peut être consenti que si on dispose d'une structure coaxiale permettant l'herméticité -et, finalement, par rapport aux brevets du paragraphe 3/ ci-dessus.4 / It is through concepts specific to high-voltage techniques that the improvements described in the present invention have been made - compared to conventional grounding conductors - compared to all previous lightning protection installations that cannot be integrated into an electrically hermetic assembly, which can only be consented if there is a coaxial structure allowing the hermeticity -and, finally, compared to the patents of paragraph 3 / above.

5/ Des décharges latérales se produisent le long des conducteurs de mise à la terre nus ou isolés simplement quant le gradient de tension devient plus grand que la valeur de tenue. La valeur du champ électrique à la surface d'un conducteur cylindrique nu dépend de son diamètre et de l'environnement. La tension qui apparaît sur ce conducteur lors du passage d'un courant de foudre dépend de la résistance ohmique longitudinale en courant alternatif de ce dernier.5 / Lateral discharges occur along the bare or insulated earthing conductors simply when the voltage gradient becomes greater than the withstand value. The value of the electric field on the surface of a bare cylindrical conductor depends on its diameter and the environment. The voltage which appears on this conductor during the passage of a lightning current depends on the longitudinal ohmic resistance in alternating current of the latter.

6/ Cette résistance peut être calculée en résolvant les équations de Maxwell pour un conducteur cylindrique au moyen des fonctions de Bes- sel. Une vue représentative du phénomène est donnée par la notion de profondeur de pénétration. De cette façon, il est possible de mettre en évidence la "partie du conducteur effectivement utilisée". Le spectre des fréquences qui compose un courant de foudre s'étend de 20 à 100 kHz. Pour un conducteur cylindrique en cuivre, on obtient respectivement 0,48 mm et 0,21 mm de profondeur de pénétration. Donc, un conducteur cylindrique creux présente des avantages sur un conducteur plein de section équivalente.6 / This resistance can be calculated by solving the Maxwell equations for a cylindrical conductor using the Besel functions. A representative view of the phenomenon is given by the notion of penetration depth. In this way, it is possible to highlight the "part of the conductor actually used". The frequency spectrum that makes up a lightning current ranges from 20 to 100 kHz. For a cylindrical copper conductor, 0.48 mm and 0.21 mm of penetration depth are obtained respectively. Therefore, a hollow cylindrical conductor has advantages over a solid conductor of equivalent section.

Example:

bare copper wire 6 mm Ø
R ca = 2.1 min / m (20 kHz)
R ca = 4.6 mΩ / m (100 kHz)
special EF cable
R ca = 0.9 min / m (20 kHz)
R ca = 2.2 min / m (100 kHz)

Improvement factor approx. 2.

Les valeurs ci-dessus ont été calculées avec des formules classiques tirées des 3 références suivantes:

(1) Hochspannungsfelder H. Prinz Verlag Olden- burg
(2) Hochspannungstechnik Vorlesung Prof. Dr K. Berger
(3) Wirbelstrôme und Schirmung in der Nach- richtentechnik Dr phil. H. Kaden Springer Verlag 7/ Pour la structure objet de la présente invention, ces valeurs ont été vérifiées par des mesures de laboratoire. Les résultats ont été les suivants:
- il Lorsque la couche intermédiaire isolante est correctement dimensionnée, il ne se produit jamais de décharges latérales et on ne constate aucun endommagement de la structure -même si des surtensions sont produites dans le conducteur central;
- ii/ Ce que l'on observe lors de ces surtensions ce sont des effluves de très basse énergie qui peuvent apparaître autour de la structure sans l'endommager. Ces décharges avaient été observées déjà par Tesla, il y a un siècle, lors de ses expériences sur des courants à haute fréquence.
8/ Etant donné que la valeur des surtensions dans un conducteur de foudre dépend de la valeur de crête et de la forme d'onde des décharges -pour étudier le comportement de la mise à la terre du système objet de la présente invention et en définir les caractéristiques, l'Auteur a pu bénéficier des données très complètes d'impulsion des courants de foudres présentées récemment par Anderson et Eriksson. La présente invention permet une mise à la terre capable de supporter tous les courants de foudre. L'invention concerne une descente de protections antifoudres telle pue décrite dans la revendication 1 ainsi qu'un système de protections antifoudres conforme à la revendication 3. 9/ L'étude approfondie de tous ces paramètres a mis en évidence que l'impédance, c'est-à-dire la résistance ohmique et l'inductance du conducteur de foudre et de la gaine métallique, a un effet défavorable, d'où l'avantage de la réduire au maximum. Or, les câbles blindés utilisent un élément conducteur central constitué par un ensemble de fils métalliques enroulés en hélice autour d'un noyau central en matière isolante et on réalise le blindage métallique pareillement au moyen de fils ou de bandes métalliques enroulés en hélice sur la couche isolante entourant l'élément conducteur intérieur.
10/ Le résultat est que, même si les spires formant l'élément conducteur interne et la gaine sont jointives, ou même chevauchantes (s'il s'agit non pas de fils mais de bandes métalliques), l'inévitable couche d'oxyde sur ces fils ou bandes fait que le courant suit un parcours hélicoïdal et non pas rectiligne, d'où résistance ohmique et inductance accrues.
11/ En utilisant des fils ou bandes métalliques parallèles à la ligne centrale du câble, on réduit très sensiblement l'impédance et on améliore les performances d'un conducteur de foudre dans le sens de la présente invention.
12/ Le dessin annexé représente un exemple d'exécution de ce conducteur de foudre. La Figure 1 est une vue latérale partielle, avec des arrachements montrant sa structure interne. La Figure 2 est une vue en coupe transversale suivant 2-2 de la Figure 1.
13/ Ce conducteur de foudre est une structure dont on voit en 1 l'âme de section circulaire en matière isolante autour de laquelle sont disposés de façon jointive des fils métalliques 2 s'étendant parallèlement à la ligne centrale 3, qui est l'axe de cet ensemble s'il est rectiligne. L'ensemble de ces fils 2 constitue un premier organe de mise à terre d'une installation antifoudre depuis la pointe (non représentée) de l'installation jusqu'à la prise de terre (non représentée). En raison de l'effet pelliculaire propre au courant haute tension, il est inutile que l'espace occupé par le noyau isolant 1 soit rempli par les fils conducteurs 2.
14/ On voit en 4 une couche de matière isolante entourant la couche de fils 2 est dont l'épaisseur et la qualité sont étudiées pour résister aux surtensions se produisant dans l'élément 2 lorsque le courant de foudre le parcourt. En 5 est disposé un 2ème série de fils métalliques jointifs s'étendant eux aussi parallèlement à l'axe central 3. L'ensemble de ces fils 5 constitue une 2ème conducteur, qui entoure complètement la gaine isolante 4 et, par conséquent, aussi le premier élément conducteur 2. Cet ensemble de fils 5 constitue un blindage électrique pour les fils 2 et est mis à la terre à son extrémité inférieure (non représentée).
15/ Autour de la couche de fils conducteurs 5 est disposée une gaine de protection 6 en matière isolante convenablement dimensionnée. Les fils 5 pourraient être des bandes métalliques parallèles chevauchantes, pour que leur ensemble forme un véritable tube conducteur.
16/ On pourrait imaginer que le 2ème élément conducteur (5) soit réellement tubulaire -mais cela aurait le grave défaut de rendre difficile d'enrouler cette structure sans l'endommager et la mettre sur une bobine comme c'est l'usage pour le stockage et le transport des câbles. En prévoyant un tube ondulé, on faciliterait cet enroulement mais on augmenterait la résistance ohmique et, surtout, l'inductance, puisque dans ce cas le courant dans cet élément suivrait un parcours ondulé.
17/ La sollicitation électrique de l'isolation doit être définie sur toute la longueur de la structure, indépendamment des conditions extérieures - d'où la nécessité, comme dans les câbles haute tension, d'utiliser un écran conducteur concentrique. Ainsi, ce conducteur de foudre pourra être posé près de pointes ou d'arêtes métalliques sans effet négatif sur sa tenue électrique.
18/ L'isolation haute tension doit être protégée mécaniquement, pour éviter tout risque d'endommagement lors du transport, du montage et de la mise en service. L'ensemble métallique robuste et une gaine résistante à des conditions climatiques extrêmes, remplit parfaitement ce rôle.
19/ Finalement, grâce à l'écran protecteur, il est possible de vérifier, à tout moment, l'état de l'isolation à haute tension par deux simples essais électriques.
20/ Toutes ces considérations ont permis de réaliser une descente de protection antifoudre qui répond aux exigences du Monde Moderne, avec un risque de claquages latéraux de 45 à 90 fois inférieur à celui d'un conducteur nu. Les expériences de laboratoire et les valeurs calculées confirment le bien-fondé de ce concept. 21/ Disposant d'une structure coaxiale -mais qui n'est ni fabriquée, ni employée comme les câbles coaxiaux conventionnels-l'Auteur de la présente invention a eu pour la première fois la possibilité de se rendre compte en laboratoire, par des modèles mathématiques et par une vaste expérience dans la Nature, que la protection antifoudre ne pouvait être effective que si elle n'électrisait pas les structures. Pour cette réalisation fondamentale, il a conçu un terminal haute tension grâce auquel le présent système peut conduire les foudres à terre sans électrisation des structures.

The above values were calculated with conventional formulas taken from the following 3 references:

(1) Hochspannungsfelder H. Prinz Verlag Oldenburg
(2) Hochspannungstechnik Vorlesung Prof. Dr. K. Berger
(3) Wirbelstrôme und Schirmung in der Nach- richtentechnik Dr phil. H. Kaden Springer Verlag 7 / For the structure which is the subject of the present invention, these values have been verified by laboratory measurements. The results were as follows:
- When the insulating intermediate layer is correctly dimensioned, lateral discharges never occur and there is no damage to the structure - even if overvoltages are produced in the central conductor;
- ii / What we observe during these overvoltages are very low energy scents which can appear around the structure without damaging it. These discharges had already been observed by Tesla, a century ago, during its experiments on high frequency currents.
8 / Since the value of the overvoltages in a lightning conductor depends on the peak value and the waveform of the discharges - to study the behavior of the earthing of the system object of the present invention and to define it characteristics, the Author was able to benefit from the very comprehensive data of impulse of lightning currents presented recently by Anderson and Eriksson. The present invention provides a grounding capable of withstanding all lightning currents. The invention relates to a descent of lightning protection devices such as described in claim 1 as well as a protection system Arresters according to claim 3. 9 / The in-depth study of all these parameters has shown that the impedance, that is to say the ohmic resistance and the inductance of the lightning conductor and the metallic sheath, has an unfavorable effect, hence the advantage of minimizing it. However, the shielded cables use a central conductive element constituted by a set of metallic wires wound in a helix around a central core made of insulating material and the metallic shielding is likewise carried out by means of metallic wires or bands wound in a helix on the layer. insulation surrounding the inner conductive element.
10 / The result is that, even if the turns forming the internal conductive element and the sheath are contiguous, or even overlapping (if it is not wire but metal strips), the inevitable oxide layer on these wires or strips means that the current follows a helical and not straight path, hence increased ohmic resistance and inductance.
11 / By using metallic wires or bands parallel to the central line of the cable, the impedance is very substantially reduced and the performance of a lightning conductor is improved in the sense of the present invention.
12 / The appended drawing represents an example of execution of this lightning conductor. Figure 1 is a partial side view, with parts broken away showing its internal structure. Figure 2 is a cross-sectional view along 2-2 of Figure 1.
13 / This lightning conductor is a structure of which we see in 1 the core of circular section made of insulating material around which metallic wires 2 are contiguously arranged extending parallel to the central line 3, which is the axis of this set if it is rectilinear. All of these wires 2 constitute a first earthing member of a lightning protection installation from the tip (not shown) of the installation to the earth connection (not shown). Due to the film effect inherent in high voltage current, it is unnecessary for the space occupied by the insulating core 1 to be filled by the conducting wires 2.
14 / We see in 4 a layer of insulating material surrounding the layer of wires 2 is whose thickness and quality are studied to resist overvoltages occurring in element 2 when the lightning current travels through it. At 5 is disposed a 2nd series of contiguous metallic wires also extending parallel to the central axis 3. All of these wires 5 constitute a 2nd conductor, which completely surrounds the insulating sheath 4 and, consequently, also the first conductive element 2. This set of wires 5 constitutes an electrical shield for the wires 2 and is earthed at its lower end (not shown).
15 / Around the layer of conducting wires 5 is a protective sheath 6 made of suitably sized insulating material. The wires 5 could be overlapping parallel metal strips, so that their assembly forms a real conductive tube.
16 / One could imagine that the 2nd conductive element (5) is actually tubular - but this would have the serious defect of making it difficult to wind this structure without damaging it and put it on a reel as is the custom for storage and transportation of cables. By providing a corrugated tube, this winding would be facilitated but the ohmic resistance and, above all, the inductance, would be increased, since in this case the current in this element would follow a wavy path.
17 / The electrical stress on the insulation must be defined over the entire length of the structure, regardless of the external conditions - hence the need, as in high-voltage cables, to use a concentric conductive screen. Thus, this lightning conductor can be placed near spikes or metal edges without negative effect on its electrical resistance.
18 / The high voltage insulation must be mechanically protected to avoid any risk of damage during transport, assembly and commissioning. The robust metal assembly and a sheath resistant to extreme climatic conditions, perfectly fulfills this role.
19 / Finally, thanks to the protective screen, it is possible to check, at any time, the state of the high-voltage insulation by two simple electrical tests.
20 / All these considerations have made it possible to achieve a lightning protection descent which meets the requirements of the Modern World, with a risk of lateral breakdowns 45 to 90 times lower than that of a naked conductor. Laboratory experiments and calculated values confirm the validity of this concept. 21 / Having a coaxial structure - but which is neither manufactured nor used like conventional coaxial cables - The Author of the present invention had for the first time the possibility of realizing in the laboratory, by models mathematics and a vast experience in Nature, that lightning protection could only be effective if it did not electrify structures. For this fundamental achievement, he designed a high voltage terminal thanks to which the present system can conduct lightning strikes to the ground without electricity. tion of structures.

Claims

1. Lightning protection downconductor (Fig. 1) comprising a first lightning conductive component (2), an insulating sheath (4) surrounding this first conductive component, and a second conductive component (5) completely surrounding this insulating sheath, said second conductive component being earthed at its lower end, characterized in that each of the two said conductive components (2 and 5) are formed by an assembly of metallic conductors, which are contiguous in the shape of wires or strips all extending in a direction parallel to the central line (3) of the assembly formed by said two conductive components (2 and 5) and the intermediate insulating sheath (4).

2. Lightning protection downconductor according to claim 1 (Fig. 2) characterized in that the second conductive component (5) is formed by overlapping strips so that together they form a metallic cylinder.

3. Lightning protection system using a lightning downconductor according to claim 1 and 2, characterized in that its upper part is fitted with a high voltage terminal (Fig. 3) thus making it possible that all the components of this system constitute an electrically hermetic lightning protection.